新一次的能源革命，加速了汽車電動化進程、以新能源電力為主的新型電力系統(tǒng)正在逐步構建，儲能裝機快速增長，導致鋰電需求與日俱增。我國鋰礦對外依存度超過70%，加劇了能源供給安全，且隨著2022年碳酸鋰價格大幅的上漲，造成了鋰電價格持續(xù)走高。所以資源更加豐富的鈉離子電池受到關注度越來越高，眾多企業(yè)紛紛布局鈉離子電池，包括傳統(tǒng)的鋰電企業(yè)以及具有自主技術的初創(chuàng)型公司。據(jù)中關村儲能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟統(tǒng)計，目前公布布局鈉離子電池制造的企業(yè)已超過20家，同樣，鈉離子電池也受到眾多投資機構的關注，像華為、小米、三峽資本、碧桂園、昆侖資本等投資方紛紛加碼鈉電領域。

 

       預計2023年有眾多鈉離子電池產(chǎn)線投產(chǎn)，可落地產(chǎn)能接近10GWh，主要廠商包括中科海鈉、維科技術、傳藝科技、眾鈉能源等企業(yè)，而鵬輝能源、湖南立方、興儲世紀等企業(yè)規(guī)劃的鈉離子電池量產(chǎn)線進入了實質(zhì)性的投資建設、設備招標和設備進場階段，其余大部分企業(yè)的鈉離子電池的量產(chǎn)線投資建設仍處于前期規(guī)劃中，尚未有實質(zhì)性進展。

 

鈉離子電池優(yōu)勢

 

       1.不受資源限制

 

       不同于鋰資源，地殼里鈉儲量排在所有元素的第6位，我國鈉資源儲量豐富，而且分布較為廣泛，在海洋和鹽湖中有巨大的儲量，因此可以一定程度地緩解鋰資源短缺引發(fā)的鋰電發(fā)展受限問題。

 

       2.可與鋰電共用產(chǎn)線

 

       鈉離子電池與鋰電生產(chǎn)制造工藝類似，通過技術改造，鋰電產(chǎn)線可用于生產(chǎn)鈉離子電池，降低產(chǎn)線設備的投資。

 

       3.原材料成本低

 

       正極材料主要是資源豐富的鈉、鐵、錳、銅、硫等元素；負極材料主要為生物質(zhì)原材料或者煤基前驅(qū)體，且負極材料不需要石墨化，制造成本會低于石墨負極；鈉電池正負極集流體均可使用廉價的鋁箔，成本較鋰離子電池所需的銅箔進一步降低。

 

       伴隨鈉電產(chǎn)業(yè)爆發(fā)前期的火熱，鈉電技術目前還面臨一些問題，例如：材料體系尚未成熟，循環(huán)壽命較短，原材料產(chǎn)業(yè)鏈尚未建立。

 

材料制備有待優(yōu)化
 

       1.正極材料

 

       目前，鈉離子電池可選擇的正極材料主要有：過渡金屬氧化物，普魯士藍/白化合物，聚陰離子化合物。

 

       層狀氧化物材料結構上與鋰電池三元材料類似，二者的生產(chǎn)工藝也較為類似。但鈉離子電池正極的過渡金屬元素的選擇范圍更廣，從周期表的Ti連續(xù)到Cu（Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu）均可作為鈉離子電池層狀氧化物的主要成分，Mn、Fe、Cu等元素儲量豐富，價格低廉。而鋰離子電池層狀氧化物（三元正極、鈷酸鋰、錳酸鋰等）則以Ni、Co和Mn為主，其中Ni和Co的價格相對較高。層狀氧化物正極材料能量密度高（130-160mAh/g，230-250Wh/L）、電壓平臺高（3.0-3.1V）、倍率性能好，綜合性能較為優(yōu)異。同時，合成工藝簡單，多為固相燒結法，可選擇的過渡金屬元素很多，加之與鋰離子電池的正極材料結構類似，所以是目前鈉離子電池企業(yè)主要選擇的工藝路線。在各技術路徑中，層狀氧化物產(chǎn)業(yè)化進度最快，代表企業(yè)包括寧德時代、中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源、Faradion、湖南立方等企業(yè)。

 

       普魯士藍化合物是一種典型的立方晶體結構，其所有的金屬離子位于立方體頂角，具有較大的隧道結構，可允許鈉離子自由嵌入和脫嵌，理論倍率性能、循環(huán)性能優(yōu)異。同時，其能量密度高，且核心材料為 Fe 和 Mn，成本相對較低。普魯士藍技術路徑的缺陷也比較明顯。首先，晶格中的配位水難除盡，在實際使用中會參與各種副反應，嚴重影響電池的容量和循環(huán)性能；其次，普魯士藍類化合物的熱穩(wěn)定性差，與水反應會生成有毒的 HCN，存在安全性問題和環(huán)境處理難題；上游氰化物準入難度大，普魯士藍上游材料為氰化鈉，屬于�；�品，其生產(chǎn)、銷售會受到公安部門的管控，在環(huán)保的限制下，很難獲得新建產(chǎn)能的批復指標。

 

       聚陰離子型化合物由聚陰離子多面體和過渡金屬離子多面體通過強共價鍵連接成，類似于鋰離子電池的磷酸鐵鋰材料，具有堅固且開放的三維網(wǎng)絡結構，熱穩(wěn)定性和電化學穩(wěn)定性高，因此，循環(huán)性能優(yōu)于層狀氧化物和普魯士藍，但其材料成本相對較高、能量密度低、倍率性能差。聚陰離子路徑的代表性企業(yè)有眾鈉能源和鵬輝能源。

 

       2.負極材料

 

       鈉離子原子半徑較鋰離子大 35%以上，鋰離子電池的石墨負極無法滿足鈉離子電池負極的要求，所以鈉離子電池負極材料主要選擇有硬碳和軟碳。其中軟碳成本低，但是由于具有類石墨化的結構，儲鈉量較低；雖然可以通過造孔工藝增大容量，但是會增加成本；其導電能力較強，循環(huán)性能較高，因此軟碳材料可以與硬碳復合使用，優(yōu)化提升硬碳負極的綜合性能。硬碳材料儲鈉位置和形式多樣，使得負極能夠更好地實現(xiàn)快充、解決了過放電的安全問題，打開了鈉電池應用的廣度，理論容量可達 350-400 mAh/g。同樣硬碳也存在較多問題：如首次庫倫效率低、循環(huán)壽命短和結構一致性等問題，所以硬碳前驅(qū)體選擇、制備工藝需要不斷創(chuàng)新突破，才能滿足未來鈉電產(chǎn)業(yè)的需要。雖然布局硬碳負極路線的企業(yè)較多，但從供給端看，現(xiàn)在大多數(shù)企業(yè)的硬碳還沒有完全量產(chǎn)，仍處于中試或研發(fā)階段，選擇的原料來源主要有樹脂基、瀝青基、生物質(zhì)基。硬碳材料布局的企業(yè)主要包括傳統(tǒng)的負極材料企業(yè)、活性炭企業(yè)以及一些初創(chuàng)公司。

 

       3.電解液

 

       鈉離子電池電解液體系和鋰離子電池相同，包括溶質(zhì)、溶劑、添加劑。鈉離子電池溶質(zhì)是將鋰鹽換成鈉鹽，將六氟磷酸鋰換成六氟磷酸鈉；鋰電的很多添加劑并不一定適合鈉電，目前眾多企業(yè)依然沿用了酯類溶劑，如EC、PC、DMC、EMC等，針對不同材料體系溶劑的使用比例不同；在添加劑層面，傳統(tǒng)通用添加劑體系沒有發(fā)生明顯變化，鈉離子摩爾電導率更高，電解液濃度低，對添加劑的添加比例和要求低于鋰電，降低一部分材料成本。目前研究鈉離子電池電解液的公司主要集中于鋰電電解液制造企業(yè)。

 

       4.隔膜

 

       鈉離子電池的隔膜可以沿用鋰電的隔膜體系，鋰電的隔膜直接用于鈉離子電池將會造成保液能力差，會影響電池的循環(huán)性能；負極表面容易產(chǎn)生鈉枝晶，鈉枝晶的生長會刺穿隔膜造成鈉離子電池短路，影響鈉離子電池的安全性能。所以鈉電和鋰電隔膜孔隙率的要求會有一定差異，目前隔膜企業(yè)已經(jīng)針對鈉離子的特性，對適用于鈉離子電池的隔膜進行研發(fā)和生產(chǎn)，恩捷股份成功開發(fā)出“三明治”結構的鈉離子電池專用功能隔膜。

 

       5.集流體

 

       在鋰離子電池中，正極集流體為鋁箔，負極集流體為銅箔，以避免低電勢條件下鋁與鋰發(fā)生合金化。在鈉離子電池中，由于鈉與鋁不發(fā)生合金化反應，因而正負極集流體都可使用鋁箔，可以降低成本。

鈉離子電池發(fā)展趨勢

 

材料體系創(chuàng)新

 

       尋找更高比容量和電壓的鈉離子電池正負極材料；開發(fā)循環(huán)壽命長，低成本、高儲鈉能力的負極材料；優(yōu)化電解液配方，使鈉離子電池在寬溫度范圍內(nèi)具有高充放電率，具備大規(guī)模儲能場景應用所需的長循環(huán)壽命；評估鈉離子電池在不同工作溫度和不同倍率的下的性能，降低在應用過程中的安全隱患。

 

產(chǎn)業(yè)鏈構建

 

       鈉離子電池的商業(yè)化目前處于起步階段，完整成熟的產(chǎn)業(yè)鏈也未形成。2022年8月工信部印發(fā)《關于推動能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》中明確提到，要發(fā)展鈉離子電池等新型電池。其中鈉離子電池要聚焦電池的低成本和高安全性，開發(fā)高效模塊化系統(tǒng)集成技術，加快鈉離子電池技術突破和規(guī)模化應用。由于受到國家政策的支持，鋰電材料企業(yè)以及鈉離子電池初創(chuàng)公司紛紛布局鈉離子電池材料的研發(fā)和生產(chǎn)，預計憑借我國鋰電材料的產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢和材料研發(fā)制造的技術優(yōu)勢，未來2-3年鈉離子產(chǎn)業(yè)鏈將隨著鈉電規(guī)劃，不斷完善，材料制造成本會得到顯著下降。

 

應用場景預期

 

       由于能量密度的限制，鈉電池暫無法應用于消費電池和對能量密度要求高的新能源車；隨著鈉電產(chǎn)能的不斷釋放，預計2024年左右，鈉電首先會在A00車實現(xiàn)商業(yè)化應用。隨著技術的不斷進步，鈉電的成本不斷降低，產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，預計在2025年左右，鈉電將會在電力儲能領域開展大規(guī)模的示范應用，通過示范驗證，鈉離子電池具備在電力儲能領域應用的條件。

 

標準發(fā)展

 

       2020年中關村儲能產(chǎn)業(yè)技術聯(lián)盟就開始組織編寫了團體標準T/CNESA 1006—2021《鈉離子蓄電池通用規(guī)范》，2021年底正式發(fā)布。標準明確了相應要求和測試方法，可以為廠商、業(yè)主和投資方了解產(chǎn)品性能提供測試參考。該標準由中國科學院物理研究所胡勇勝教授牽頭編寫，上海交通大學、南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司、北京中科海鈉科技有限責任公司、浙江鈉創(chuàng)新能源有限公司、溫州大學、溫州大學碳中和技術創(chuàng)新研究院、寧德時代新能源科技股份有限公司、中國科學院大連化學物理研究所、河南省法恩萊特新能源科技有限公司、湖南立方新能源科技有限責任公司、成都佰思格科技有限公司、南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司、中國長江三峽集團有限公司科學技術研究院、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司、華為技術有限公司、江蘇愛瑪車業(yè)科技有限公司、華能天成融資租賃有限公司共同參與完成。